具有牛顿流体性质的电流变流体
阅读：688发布：2020-05-20
专利汇可以提供具有牛顿流体性质的电流变流体专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及具有 牛 顿 流体 性质的 电流 变流体。提供电流变流体，其包括极化颗粒和分散介质。所述极化颗粒可基于 二 氧 化 硅 颗粒制造。所述分散介质可包括硅油。所述硅油可为包括羟基(-OH基团)、 氨 基(-NH2基团)、巯基(-SH基团)和羧基(-COOH基团)中的至少一种的改性硅油。，下面是具有牛顿流体性质的电流变流体专利的具体信息内容。
1.电流变流体，包括：
基于二氧化硅颗粒制造的极化颗粒；和
所述极化颗粒分散于其中的分散介质，所述分散介质包括具有羟基(-OH基团)、氨基(-NH2基团)、巯基(-SH基团)和羧基(-COOH基团)中的至少一种的硅油。
2.权利要求1的电流变流体，其中所述分散介质是通过如下制造的：将所述羟基(-OH基团)、氨基(-NH2基团)、巯基(-SH基团)和羧基(-COOH基团)中的至少一种用或不用任何其它有机基团结合到纯的硅油分子的末端或侧面。
3.权利要求2的电流变流体，其中所述羟基(-OH基团)与所述有机基团形成甲醇官能团。
4.权利要求2的电流变流体，其中在不用所述有机基团的情况下，所述羟基(-OH基团)形成硅烷醇官能团。
5.权利要求1的电流变流体，其中所述极化颗粒包括所述二氧化硅颗粒和物理地或化学地结合到所述二氧化硅颗粒的极化有机材料。
6.权利要求5的电流变流体，其中所述极化有机材料包括尿素、硫脲、三聚氰胺、和丙烯酰胺中的至少一种。
7.权利要求1的电流变流体，其中所述极化颗粒的折射率与所述分散介质的折射率之间的差为0-0.06。
8.制造权利要求1-4任一项的电流变流体的方法，包括：
基于二氧化硅颗粒制造极化颗粒；
制造包括具有羟基(-OH基团)、氨基(-NH2基团)、巯基(-SH基团)和羧基(-COOH基团)中的至少一种的硅油的分散介质；和
将所述极化颗粒分散在所述分散介质中。
9.权利要求8的方法，其中所述制造极化颗粒包括：
将二氧化硅颗粒置于蒸馏水中并且搅拌具有所述二氧化硅颗粒的所述蒸馏水以制造第一悬浮体；
将极化有机材料置于所述第一悬浮体中以制造第二悬浮体；
从所述第二悬浮体分离所述蒸馏水；和
将与所述蒸馏水分离的所述第二悬浮体干燥以获得所述极化颗粒。
10.权利要求9的方法，其中所述极化有机材料包括尿素、硫脲、三聚氰胺、和丙烯酰胺中的至少一种。
11.权利要求8的方法，其中将所述极化颗粒分散在所述分散介质中包括：
制造多种具有不同折射率的分散介质；和
从所述多种分散介质中选择其折射率与所述极化颗粒的折射率相差0-0.06的分散介质。
12.显示器，包括：
第一电极；
面对所述第一电极的第二电极；和
填充在所述第一电极与所述第二电极之间的权利要求1-7任一项的电流变流体。
具有牛顿流体性质的电流变流体
[0001] 相关申请的交叉引用
技术领域
[0003] 下列描述涉及电流变流体、其制造方法和电流变流体应用。
背景技术
[0006] 这样，由于电流变流体具有能够简单地通过施加电场而不必利用任何额外的装置来控制其机械动力的优点，电流变流体可应用于多种技术领域，例如车辆阻尼器系统、减震器、发动机架、用于控制流速的阀系统、定位系统、机器人、致动器等。
[0007] 然而，由于电流变流体中的分散颗粒在所施加电场的影响下在该电场的方向上排列，电流变流体显示出其粘度急剧增加的宾厄姆流体的性质。然而，由于宾厄姆流体的性质显示非常复杂的机理，其正确的算术模型尚未建立。发明内容
[0008] 在一个概括的方面中，提供电流变流体，包括：基于二氧化硅颗粒制造的极化颗粒；和所述极化颗粒分散于其中的分散介质，所述分散介质包括具有羟基(-OH基团)、氨基(-NH2基团)、巯基(-SH基团)和羧基(-COOH基团)中的至少一种的硅油。
[0009] 在另一概括的方面中，提供制造电流变流体的方法，包括：基于二氧化硅颗粒制造极化颗粒；制造包括具有羟基(-OH基团)、氨基(-NH2基团)、巯基(-SH基团)和羧基(-COOH基团)中的至少一种的硅油的分散介质；和将所述极化颗粒分散在所述分散介质中。
[0010] 在另一概括的方面中，提供显示器，包括：第一电极；面对所述第一电极的第二电极；和填充在所述第一电极与所述第二电极之间的电流变流体，其中所述电流变流体包括：基于二氧化硅颗粒制造的极化颗粒；和所述极化颗粒分散在其中的分散介质，所述分散介质包括具有羟基(-OH基团)、氨基(-NH2基团)、巯基(-SH基团)和羧基(-COOH基团)中的至少一种的硅油。
附图说明
[0012] 图1说明电流变流体的实例。
[0013] 图2A至2D显示分散介质中包括的硅油的示例性分子结构。
[0014] 图3A至3F显示分散介质中包括的硅油的另外的示例性分子结构。
[0015] 图4为说明选择具有与极化颗粒类似的折射率的分散介质的方法的实例的图。
[0016] 图5说明包括电流变流体的一个实例的显示器。
[0017] 图6A和6B为说明图5中所示的显示器的工作原理的图。
[0018] 图7A和7B说明包括电流变流体的另一实例的触摸板和其中所述触摸板工作的实例。
[0019] 图8为说明第一和第二电流变流体之间的流变性质的比较结果的图。
[0020] 图9说明电流变流体的另一实例。
[0021] 在整个附图和详细描述中，除非另外说明，相同的附图标记将理解为是指相同的元件、特征和结构。为了清楚、说明和方便，可放大这些元件的相对尺寸和描绘。
具体实施方式
[0022] 提供下列描述以帮助读者获得在此描述的方法、装置和/或系统的全面理解。因此，本领域的普通技术人员将想到在此描述的方法、装置和/或系统的各种变化、变型和等同物。而且，为了增加的清楚和简明，可省略公知的功能和构造的描述。
[0023] 图1说明电流变流体100的实例。
[0024] 参考图1，电流变流体100包括极化颗粒101和分散介质102。
[0025] 极化颗粒101可为电可极化的微小颗粒。极化颗粒101可为二氧化硅颗粒103或覆盖有极化有机材料104的二氧化硅颗粒103。
[0026] 二氧化硅颗粒103各自可具有约5nm～约20μm的尺寸，并且用没有孔的无定形二氧化硅制造。
[0027] 可覆盖在二氧化硅颗粒103上的极化有机材料104与二氧化硅颗粒103物理地/化学地结合以提高二氧化硅颗粒103的极化性。根据当前的实例，极化有机材料104可为具有高的分子极化的材料。具有高的分子极化的材料的实例包括尿素，硫脲，三聚氰胺，丙烯酰胺，和含有尿素、硫脲、三聚氰胺或丙烯酰胺的分子。
[0028] 极化颗粒101分散在分散介质102中。根据当前的实例，分散介质102可包括具有羟基(-OH基团)、氨基(-NH2基团)、巯基(-SH基团)和羧基(-COOH基团)中的至少一种基团的硅油。
[0029] 这里，所述官能团例如羟基、氨基、巯基和羧基可用或不用任何其它有机基团结合到硅油分子的末端或侧面。在该实例中，所述分散介质可包括具有羟基(-OH基团)的硅油。所述分散介质可包括具有氨基(-NH2基团)的硅油。所述分散介质可包括具有巯基(-SH基团)的硅油。所述分散介质可包括具有羧基(-COOH基团)的硅油。
[0030] 图2A至2D显示图1的分散介质102中包括的硅油的示例性分子结构。
[0031] 参考图2A至2D，分散介质102可为通过使纯的硅油(例如，二甲基硅油)与羟基、氨基、巯基和羧基中的至少一种结合获得的硅油。
[0032] 例如，图2A显示具有羟基(-OH基团)的硅油的分子结构，图2B显示具有氨基(-NH2基团)的硅油的分子结构，图2C显示具有巯基(-SH基团)的硅油的分子结构，和图2D显示具有羧基(-COOH基团)的硅油的分子结构。
[0033] 在图2A至2D中，R1和R2表示有机基团，且n表示整数。羟基、氨基、巯基和羧基与所述有机基团结合且然后与相应的分子结构结合，或者不与任何有机基团结合而直接与所述分子结构结合。
[0034] 例如，羟基可与有机基团R1结合以形成甲醇官能团，或者可不与有机基团R1结合而形成硅烷醇官能团。
[0035] 图3A至3F显示分散介质102中包括的硅油的另外的示例性分子结构。图3A至3F显示羟基与硅油结合的结合位置的实例。
[0036] 参考图3A至3F，羟基可与纯的硅油的分子结构的末端或侧面结合。而且，羟基可与预定的有机基团结合且然后与所述分子结构结合，或者不与任何有机基团结合而直接与所述分子结构结合。在图3A至3F中，R1至R6表示相同的有机基团或不同的有机基团，且m和n表示整数。
[0037] 再次参考图1，根据实例，电流变流体100中包括的极化颗粒101可具有达到电流变流体100的约5％至约70％的体积分数。极化颗粒101相对于电流变流体100的总体积的所述体积分数被决定以当施加电场时适当地保持初始粘度和屈服应力。
[0038] 而且，根据另一实例，极化颗粒101的折射率可与分散介质102的折射率类似。例如，极化颗粒101与分散介质102之间的折射率差可为约0～约0.06。如果极化颗粒101为白色颗粒且极化颗粒101和分散介质102的折射率彼此基本上相同或类似，则电流变流体100可具有透明度。这样的具有透明度的电流变流体100可应用于预定的显示装置。
[0039] 具有与极化颗粒101类似的折射率的分散介质102可通过将各种硅油和/或不同于硅油的介电流体混合制造。例如，具有与极化颗粒101类似的折射率的分散介质102(例如，分散介质与极化颗粒之间的折射率差为0.06的分散介质)可通过将具有羟基的硅油与绝缘油混合制造。
[0040] 通过将若干流体混合制造的分散介质102的折射率可通过下面的洛仑兹-洛仑兹方程计算。
[0041]
[0042] 其中，
[0043] n＝油混合物的折射率
[0044] n1＝纯的油1的折射率
[0045] n2＝纯的油2的折射率
[0046]
[0047]
[0048] 图4为说明选择具有与极化颗粒类似的折射率的分散介质的方法的实例的图。
[0049] 参考图4，使用具有约300μm厚度的双面带302在两块各自具有约0.7mm厚度的透明玻璃板301之间形成空间。然后，用通过将适量的极化颗粒分散在具有预定折射率的分散介质中制造的用于测量透明度的悬浮体(例如，候选电流变流体)填充该空间，使得透明度为对肉眼可见的或者通过预定装置测量透明度。
[0050] 例如，通过制备具有各种折射率的分散介质且然后将适量的极化颗粒分散在各分散介质中制备数种悬浮体。然后，将各悬浮体填充在图4中所示的空间中，然后使用由Perkin Elmer Corporation制造的Lambda-900UV/Vis/NIR光谱仪测量对于具有约550nm波长的光的透明度。在该情况下，在具有约90％的透明度的悬浮体中包括的分散介质可确定为具有与极化颗粒类似的折射率，并且可选择所述分散介质。
[0051] 图5说明包括电流变流体的一个实例的显示器400。
[0052] 参考图5，显示器400包括上电极401、下电极402和电流变流体403。上和下电极401和402彼此面对，和电流变流体403填充在上和下电极401和402之间。
[0053] 如图5中所示，电流变流体403包括极化颗粒404和分散介质405，其中极化颗粒404和分散介质405的折射率可基本上相同。因此，当通过上和下电极401和402形成电场时，极化颗粒404在分散介质405中在电场的方向上排列，由此使电流变流体403的粘度急剧增加。而且，由于极化颗粒404和分散介质405的折射率基本上相同，因此可确保电流变流体403的透明度。
[0054] 而且，由于分散介质405含有具有羟基、氨基、巯基和羧基中的至少一种的硅油，电流变流体403的粘度可大大取决于电场的存在或不存在。因此，操作显示器400的使用者可得到取决于电流变流体403的粘度变化的优异的触感。
[0056] 图6A和6B为说明图5中所示的显示器400的工作原理的图。
[0057] 图6A显示其中当未向电流变流体403施加电场时，电流变流体403的极化颗粒404无方向性地无序地分散在分散介质405中的状态。
[0058] 图6B显示其中当向电流变流体403施加电场时，电流变流体403中的个体极化颗粒404介电极化，和相邻的极化颗粒404由于吸引力在上和下电极401和402之间的电场的方向上排列成链或柱结构的状态。排列成链或柱结构的极化颗粒404使电流变流体403的粘度增大，因为介电极化的颗粒404具有恢复力，刚在所述链或柱结构被从外部施加的某个力破坏之后，它们就通过所述恢复力再次排列成所述链或柱结构。
[0059] 图7A和7B说明包括电流变流体的另一实例的触摸板600，和其中触摸板600工作的实例。
[0060] 参考图7A和7B，触摸板600可包括下电极601、上电极602、电流变流体603、下基板607和上基板608，其中电流变流体603可具有透明度。例如，电流变流体603可含有极化颗粒604和具有与极化颗粒604类似的折射率的分散介质605。
[0061] 参考图7A，当将电压施加到上和下电极601和602时，电流变流体603中的极化颗粒604排列成链或柱结构，由此使电流变流体603的粘度增大。在该状态中，当使用者使用其手指、记录笔等按压触摸板600时，由电流变流体603的高粘度导致的排斥力被传递至使用者。当上基板608的位移达到预定厚度时，关于使用者的按压发生的位置的信息被传递至控制器(未示出)，和该控制器释放所施加的电压。
[0062] 参考图7B，当所施加的电压被释放时，极化颗粒604的排列被破坏，使得电流变流体603的粘度降低且因此由使用者感受到的排斥力降低，其向使用者提供点击感或触感。
[0063] 下文中，比较基于包括具有羟基的硅油的分散介质的电流变流体与基于包括不具有羟基的硅油的分散介质的电流变流体之间的流变性质。
[0064] [极化颗粒的制造]
[0065] 通过将二氧化硅颗粒(例如，由SUNJIN CHEMICAL Co.，Ltd.制造的Sunsil-20)置于蒸馏水中且机械搅拌该混合物约1小时制造悬浮体。将4g尿素(Aldrich)添加到该悬浮体中，然后在室温下机械搅拌该混合物约16小时。接着，将该经搅拌的混合物放到离心机中以从该混合物分离蒸馏水，然后将所得混合物在加热至80℃的真空烘箱中干燥24小时，使得获得白色的极化颗粒(例如，图1的101)。
[0066] [第一电流变流体的制造]
[0067] 将极化颗粒以13％的体积分数分散在硅油(由Shinetsu Chemical Co.，Ltd.制造的X-22-170DX)中，使得制造电流变流体。作为具有图2A中所示的分子结构的硅油的X-22-170DX硅油包含羟基。
[0068] [第二电流变流体的制造]
[0069] 将极化颗粒以13％的体积分数分散在硅油(由Shinetsu Chemical Co.，Ltd.制造的KF-96)中，使得制造电流变流体。KF-96硅油为不具有羟基的纯的硅油。
[0070] 图8为说明第一和第二电流变流体之间的流变性质的比较结果的图。
[0071] 参考图8，当未施加电场时，基于具有羟基的硅油的第一电流变流体显示出在1或更大的剪切速率下其粘度基本上相同的牛顿流体的性质，而基于纯的硅油的第二电流变流体显示出其粘度取决于剪切速率而变化的非牛顿流体的性质。
[0072] 在施加电场时与未施加电场时之间其粘度变化大的电流变流体是优选的。在当前的实例中，第一电流变流体的粘度变化比大于第二电流变流体的粘度变化比。
[0073] 图9说明电流变流体的另一实例。
[0074] 参照图9，电流体流体可通过将二氧化硅颗粒以8％的体积分数分散在硅油(即X-22-170BX)中而得到。所述硅油具有与如图2A中所示的相同的分子结构，且可具有OH基团。参照图9，对应于未施加电场，基于具有OH基团的硅油的电流变流体在1或更高的剪切速率下可具有与牛顿流体相同的特性。
[0075] 下文中，将描述使用第一电流变流体制造透明的电流变流体的方法。
[0076] [制造透明的电流变流体的实施例]
[0077] 通过将两种或更多种具有一个或更多个羟基的硅油混合或者通过将包含羟基的硅油与一种或更多种绝缘流体或油混合制造分散介质。例如，可通过将适量的具有相对低的折射率且包含羟基的硅油(X-22-170DX，nD＝1.406，Shinetsu)与适量的具有相对高的折射率的硅油(PDS-1615，nD＝1.473，Gelest)混合制造具有各种折射率的分散介质。
[0078] 然后，选择具有与极化颗粒类似的折射率的分散介质。例如，通过将适量的极化颗粒分散在各分散介质中以制造悬浮体，和测量所述悬浮体的透明度，可测量所述分散介质的折射率。在当前的实例中，通过将适量的极化颗粒分散在多种具有预定折射率的分散介质中获得的悬浮体称作用于测量透明度的悬浮体或候选电流变流体。换言之，通过基于多种具有不同折射率的分散介质制造用于测量透明度的悬浮体和测量所述悬浮体的透明度，可选择合适的分散介质。
[0079] 然后，通过将极化颗粒分散在所选择的分散介质中，即具有与极化颗粒类似的折射率的分散介质中，制造具有透明度的电流变流体。例如，可通过如下将极化颗粒分散在所选择的分散介质中：将极化颗粒以约13％的体积分数置于分散介质中，搅拌该混合物，然后对经搅拌的混合物进行超声处理。
[0080] 为了描述的方便，在当前的实例中，使用羟基作为实例，然而，也很明显可使用氨基、巯基或羧基。
[0081] 如上所述，根据上述实例，由于形成电流变流体的分散介质包括具有羟基(-OH基团)、氨基(-NH2基团)、巯基(-SH基团)和羧基(-COOH基团)之一的硅油，可提供具有牛顿流体性质的电流变流体。而且，由于分散介质的折射率与极化颗粒的折射率基本上相同，可提供适合应用于显示器的电流变流体。
[0082] 已在上面描述了许多实例。然而，应理解可进行各种变型。例如，如果所描述的技术以不同的顺序进行和/或如果所描述的系统、结构、装置或线路中的部件以不同的方式组合和/或被其它部件或它们的等同物代替或补充，可实现合适的结果。因此，其它实施在所附权利要求的范围内。
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